據compositesworld網站2019年5月2日刊文，隨著碳纖維增強塑料(CFRP)和陶瓷基復合材料(CMC)材料在飛行器發(fā)動機、航天組件和高超聲速應用中的激增，加工成為一個問題，因為精度和效率會改變項目成果。將高可靠性和高精度特征加工成CFRP和CMC的嘗試，由于其硬度和磨損性而具頗具挑戰(zhàn)，會導致加工速度慢、對材料性能產生不良影響、無法滿足零件規(guī)格以及高運營成本，包括不斷重復的刀具替換。
為了應對這一挑戰(zhàn)，制造商們已經開發(fā)了一系列用于加工這種先進復合材料的激光技術。雖然激光提供了提高效率和消除刀具重復性成本的潛力，但產生的熱量會消散到材料中，從而可能產生微裂紋和材料變化。激光在光束的焦點處切削，也會導致V形切口，這對于控制精確的公差可能是有問題的。
瑞士Synova公司開發(fā)的激光微射流技術可以生成完全包含在水射流中的激光束。激光在空氣-水界面處反射，原理上類似于光纖，而水則冷卻切削區(qū)，并從切口洗去碎屑。據報道，與傳統激光器相比，該技術的優(yōu)點包括不會燃燒或熱退化，更少的毛刺可以使表面更光滑，直邊切削和更高的精度。
2017年GE航空公司在位于美國北卡羅來納州阿什維爾的CMC發(fā)動機部件生產廠部署了激光微射流技術。在這里，它用于在LEAP發(fā)動機的CMC罩環(huán)中加工孔。GE航空CMC生產經理Ryan Huth表示：“這項技術有助于保持鉆孔直徑的高精度。微射流可以在兩分鐘內鉆孔，而傳統加工要鉆一小時。”
·水和光的力量
Synova公司由Bernold Richerzhagen博士于1997年創(chuàng)立，他于20世紀90年代在瑞士聯邦理工學院進行研究后獲得了激光微射流技術的專利。該技術于2001年被廣泛用于半導體晶圓切割。然后，Synova于2003年在美國、日本、印度和韓國設立了本地子公司。這些技術現在已經擴展到包括了微加工中心，計劃近期在中國大陸和臺灣進行擴建。 2009年，Synova與Makino銑削機床公司建立了合作開發(fā)伙伴關系，推出了新的機床系列，并推進了它們用于加工醫(yī)療設備、手表機械、燃氣和噴氣發(fā)動機渦輪葉片、半導體設備和超硬材料的切削工具。
在激光微射流系統中，激光束通過加壓水艙并聚焦到噴嘴中。激光器是一種常見的工業(yè)型號——固態(tài)Nd:YAG，功率為10-200瓦，波長為1064(紅外)、532或355納米。發(fā)絲細的射流——直徑為50-70微米——過濾的去離子水在200-650巴的低壓下使用。這使得水的消耗很低，大約2-3升/小時，并且施加在材料上的力是可忽略的小于0.1牛頓。
如何在水中實現有效的激光燒蝕？Synova美國業(yè)務經理Jacques Coderre解釋說：“激光大約每秒脈沖10000次。對于每個激光脈沖，產生的等離子體會向上推水，從而實現燒蝕。在脈沖結束時，等離子體坍塌，然后水清潔表面并消散熱量。”他指出，水射流還消除了干式激光系統通常需要保持激光聚焦帶來的復雜性和工藝變化。“這樣可以切割厚的或非平面的零件而不必擔心焦點。利用該技術還生產出一種圓柱形激光器，可以產生完全平行的壁，并具有緊密的切口寬度。”
·為復合材料配置
激光微射流不僅適用于CMC，而且適用于CFRP和堆疊層壓板。在測試過程中，它在2.6毫米厚的CFRP層壓板上生成直徑為3毫米的孔，速度高達1440毫米/分鐘。Coderre表示：“使用常規(guī)的激光器，因為熱量你必須降速。常規(guī)的銑削可以達到類似的速度，但由于需要更換刀具，因此運營成本更高。”該技術可以切割1英寸厚的CMC層壓板。“速度基于非常恒定的1立方毫米/分鐘的消融率。”
Synova公司擁有一系列機床，去年推出了五軸CNC LCS 305系統。Coderre解釋道：“這臺機床擅長高精度3D切削，非常適合小型CMC零件，但它不適合大型CFRP零件。”為此，Synova已將其激光微射流集成到龍門機床中，能夠加工大于2米×3米的零件。“它還很容易與機器人集成，易于編程，”他補充道。對于2D切削，微射流軟件將CAD文件轉換為機床代碼。 一旦驗證，操作員只需按下一個按鈕，機床就會執(zhí)行切削程序。對于3D切割，Coderre解釋說后處理器從CAD文件中提取必要的3D數據，并將其格式化用于微射流軟件。
對于“工廠4.0”功能，激光功率計、定位傳感器和自動射流角度校正集成在激光微射流系統中。Coderre表示：“它非常靈活，易于作為獨立系統集成到零件生產中，或作為全自動生產線的一部分，無需操作員實現大批量生產。”該技術已在LEAP發(fā)動機的CMC零件中得到驗證。“對于復合材料，它通過更快的生產速度、更低的運營成本、更高的可靠性和更高的產量實現了更低的制造成本。”隨著新材料、市場和競爭性金屬技術的不斷發(fā)展，這種效率確實是復合材料所需要的。
【延伸閱讀】集成的水射流擴展了激光切削的潛力
根據通用電氣公司2016年10月發(fā)布的一份報告，水射流可使激光加工成為生產冷卻孔的可行工藝，這些冷卻孔布滿燃氣和工業(yè)產品渦輪葉片的表面。據報道，這種獨特的激光切削技術有助于GE在每個零件上節(jié)省數小時的生產時間，而現在，該技術的瑞士開發(fā)商及其北美合作伙伴也希望將收益擴展到其他渦輪葉片制造商。畢竟，它不僅提供了激光切削早已聞名的速度和精度優(yōu)點，而且還消除了傳統的缺點：即影響材料結構的熱量和粘附在表面上的機加碎屑。
然而，這些不是唯一的優(yōu)點，并且應用不限于鉆冷卻孔。根據報告，GE還利用這些激光器從新的耐熱(因而難以加工)材料生產其他渦輪零件。其他創(chuàng)造細小、復雜特征產品的制造商也可以獲益。手術刀、針頭和其他醫(yī)療器械；汽車噴油嘴和火花塞；單晶和多晶金剛石(PCD)切削刀具——這些只是其他一些記載的工作實例，其中這一特殊種類的激光切削已被證明是從銑削到蝕刻到EDM(電火花加工)等工藝的可行替代方案。除了GE正在進行的冷卻、清潔材料去除之外，技術開發(fā)人員表示，分立零件制造商可以從該技術在整個深度范圍內實現無錐度切削的能力中受益，而無需擔心焦點。
這一切如何實現？還是通過最重要的基本元素：水。更具體地說，通過緊湊的加壓水流完全包住激光束，以同時用作導引、冷卻介質和清潔劑。
·擴展應用領域
在瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)開發(fā)了現在名為激光微射流(LMJ)的博士后，博士生Bernold Richerzhagen于1997年創(chuàng)立了Synova，將新專利技術引入工業(yè)制造商。在接下來的20多年里，Synova滲透了從鉆石和寶石切割到半導體和電子產品的市場，依靠機床制造合作伙伴為LMJ提供合適的行業(yè)專用平臺。美國業(yè)務經理Jacque Coderre表示，盡管該公司自2003年以來一直在硅谷的小規(guī)模客戶群附近維持美國辦事處，但推動LMJ向更大規(guī)模擴展所需的銷售、服務和支持基礎設施，需要加快與一個重要合作伙伴的合作步伐。
這個合作伙伴是機床制造商Makino，步伐加快歸功于兩家公司最近與GE合作將LMJ應用于渦輪葉片冷卻孔生產。這項工作促成了MJ系列LMJ加工中心的開發(fā)，并于2016年5月與簽訂了獨家銷售、分銷和售后支持的單一源技術(SST)協議，該公司是Makino的一個提供工程、現場服務和產品銷售的部門，補充了制造商自己的銑削和EDM產品線。有兩種尺寸可供選擇：三軸MCS 300和較大的五軸MCS 500，專為3D操作而設計，就像在GE進行的那些操作。Synova的LCS系列是一種非Makino系統，用于精密加工小型金屬和硬質材料零件，也可通過SST獲得(最大的LCS，LCS 300，工作范圍為300×300 毫米)而MCS 500提供500×400毫米)。
在這兩條產品線中，切削動作都落在二極管泵浦的固態(tài)釹摻雜釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器上，脈沖持續(xù)時間以納秒為單位，平均功率為50-200瓦，波長為532牛米(某些LCS型號也提供1064牛米)。切口寬度與噴嘴直徑緊密匹配，精度和重復性以微米為單位。在低壓下投射的純水、去離子水和過濾水包裹著光束，以限制水流不利影響帶來的風險。這種水流非常類似于光纖電纜，確保加工是冷卻、清潔和準直的。
·冷卻、清潔、準直
由于全內反射的原理，基本上可以在水流中“捕獲”激光束。當能量波(即激光束)從具有較低密度介質(即水和空氣之間的邊界)的邊界完全反射，從而不會有能量穿過。LMJ利用這一原理將光束從水流的內壁反射回來，從而迫使它沿著從噴嘴到工件的狹窄直線路徑傳播。
如果這個原理很簡單，那么工程就不算什么了。機床平臺具有各種內置子系統，用于處理和安全地容納水。至于激光頭本身，光束必須以某個角度接近邊界以反射而不是穿過它，這是一個挑戰(zhàn)。水射流也必須高度穩(wěn)定，邊界一致，以防止光束逸出。為此，Synova的一項國際專利涉及使用由氣體封閉的液體射流來防止形成湍流。由藍寶石或鉆石構成的噴嘴具有耐用性，特殊形狀可確保氣體和水適當發(fā)生相互作用。Coderre先生說，優(yōu)化水艙的形狀也需要多年的實驗。
盡管Synova對這些和其他關鍵設計特征一直守口如瓶，但該公司的文獻描述了這種獨特技術與傳統激光加工的區(qū)別在于三個基本方面：
——沒有錐度。 LMJ系統噴嘴的直徑范圍為25至120微米，低壓水流量比這小15%。利用內部連續(xù)反射光束的能量，水流本質上成為一個完美的圓柱形葉片，在其軌跡中留下完美的直壁。
在沒有引導水流的情況下，激光束是自然的錐形，從源變窄到特定焦點然后再次向外展開。因此，必須嚴格控制切削深度和焦點位置，以避免切削中出現不必要的錐度。水的添加消除了對此的擔憂。根據Synova的文檔，在水射流及其內部的激光開始分離之前，水射流可以投射到距離噴嘴直徑1000倍的距離，(MCS系列的最大工作范圍為100毫米)。
——沒有熱影響區(qū)。雖然激光在原始速度和精度方面可能無懈可擊，但只有某些應用才會讓它去直接熔化材料。通常，激光燒蝕的性質阻止了它在工件上的使用，因為在切削區(qū)域周圍的熱影響區(qū)內，可能發(fā)生微裂紋、變形和其他條件的不利影響。在LMJ系統中，圍繞光束的發(fā)絲般細的水流在激光脈沖之間的微秒間隙中吸收這種熱量。
——無材料沉積。水射流不僅僅消除了切削區(qū)域的熱量。它還帶走了燒蝕的廢料和任何其他可能作為碎屑粘附在工件上的污染物。結果是更清潔的切削和可能終結去毛刺和其他下游的操作。
這三個優(yōu)點的結合使LMJ具有多功能性，可將復雜的特征切割成幾乎任何材料，除了玻璃，木材，紙張，紡織品和透明塑料。 Coderre先生說，這使得該工藝不僅可以替代干式激光切割，還可以替代許多其他工藝。
·補充和替代
自2001年推出LCS系列以來，公司將重點放在金屬和其他硬質材料上，Synova已經記錄了LMJ在全球客戶設施中取代其他工藝的多個例子。據該公司介紹，它經常被證明比銑削微型零件更快——假設材料足夠柔軟可以選擇銑削——它也消除了對毛刺和刀具損壞的擔憂。它可以比EDM快得多，EDM會在某些表面上產生微裂紋，需要定期更換電極和/或電線，并且僅能在導電材料上工作。事實證明，它比電鑄或沖壓更靈活，并且能夠產生比后者更小的尺寸。不銹鋼、鋁、銅鈹、鎳鈦，立方氮化硼——LMJ可廣泛應用于各種應用，特別是在醫(yī)療，刀具和汽車市場。
然而，最近MCS系列的揭幕以及與SST達成的協議揭示了Synova在工業(yè)渦輪機市場中所看到的機會，特別是加入了Makino等合作伙伴的相關技術和專業(yè)知識之后。根據在GE驗證的概念，SST現在正在營銷所謂的“混合加工單元”，包括MCS 500和Makino EDBV的EDM鉆機，專門用于鉆削鑄造葉片中的冷卻孔和具有中空內部的導向葉片部件。Makino SST總監(jiān)Mark Logan表示：“與我們EDM的EDBV系列集成(LMJ)，使用戶能夠鉆出一個具有最佳成果的完整葉片，包括非視距孔的鉆孔。”
他解釋說，這些渦輪葉片和導流葉片通常涂有陶瓷隔熱層，以幫助抵御高溫。問題是，這些涂層不導電，EDM僅適用于導電材料。因此，制造商通常在涂覆涂層之前對孔進行EDM鉆孔。更復雜的是，現在冷卻孔變得越來越復雜。設計者越來越多地采用具有錐形、方形或其他非圓形開口的擴散器孔，這些開口并不總是以外部擴散器形狀為中心。僅使用EDM，制造商通常選擇加工出大于規(guī)格的這些特征以適應涂層的厚度，其中一些特征可能需要在之后手動移除。具有在機床之間傳輸數據的方案的自動化混合加工單元簡化了該過程。初始涂層滲透和擴散器形狀的加工可以通過LMJ進行，同時將大部分孔留給EDM鉆機。
至少，通常就是這種情況。如果一個孔足夠淺，LMJ完全能夠加工整個幾何形狀，并且它可能比EDM鉆孔更快。然而，在一定深度，水流開始分解，EDM變得更快，并且是唯一選擇。 EDBV機器也具有其他優(yōu)點。例如，它們的發(fā)電機具有動態(tài)反饋電路，感知管式電極的位置并根據需要增加進給以使 “空氣切削”最小化，特別是在高接合角度時。機床還可以感知電極何時在一秒或0.04英寸深度內突破內腔以保持速度，同時防止可能會擾亂氣流的電火花回擊。EDM產品經理Brian Pfluger表示，Makino的專用彎曲導軌還有助于加工非視距渦輪發(fā)動機孔特征的功能。
可以說LMJ和EDM鉆孔在這些應用中都占有一席之地，并且由制造商決定哪種鉆孔最適合任何給定的工作。將兩者結合在一個單元中可以使兩個過程的工作負荷平衡，從而將質量和生產率提高到超出任何一個孤立系統的水平。同時，根據GE報告，該公司已經在利用LMJ機床從陶瓷基復合材料中切削分離的渦輪零件。如果GE的案例是個標桿，那么其他制造商也可以從這人盡皆知的加工工具包中添加LMJ，可以作為其他工藝的補充和替代。
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